优先流问题研究及其科学意义

 优先流是近年来针对土壤水运动所提出的术语,它是一种较为常见的土壤水分运动形式,与土壤入渗、地表及地下水质密切相关。开展优先流研究,是土壤水运动机制研究由均质走向非均质领域的标志。分析优先流的基本涵义及特征,阐述大孔隙流、环绕流、管流、漏斗流、指流、沟槽流、短路流、部分置换流、地下强径流、非饱和重力流、异质流、摆动流及低洼再蓄满等优先流类型及其表征现象,论述优先流研究的科学意义,并指出了优先流研究存在的问题及未来发展方向。     

土壤温度预报方程研究进展

土壤温度(尤其是地表温度)是陆地和大气之间相互作用中关键的物理量,在地球系统中扮演了十分重要的角色。土壤温度预报技术一直是陆面模式、数值天气预报和气候预测中核心科学问题。本文系统回顾了土壤温度预报方程的研究进展,从经典的热传导方程到考虑了土壤水分垂直运动物理过程的热传导-对流方程,从用单一正弦波逼近到用傅里叶级数逼近地表温度日变化,从假设对流参数无日变化为常数到考虑其日变化,着重概述了土壤热传导-对流方程的创建、改进及求解。最后,本文对热传导-对流方程在地表能量平衡、土壤水分垂直运动、水通量和地震、冻土热传输研究中的应用进行了回顾。同时指出,全相态的土壤水和植物根系对热传导-对流方程的影响是土壤温度预报方程未来的研究方向。     

土壤优先流研究现状与发展趋势

优先流是近年来针对土壤水运动所提出的术语,是土壤中水运动机制研究由均匀走向非均匀领域的标志,是指在土壤各向异性的情况下,水分和溶质在多重因素的共同作用下,沿着特定的路径向下发生非稳定渗流的现象.优先流是造成降雨型滑坡、泥石流等地质灾害以及地下水质污染、农业土壤中养分流失等现象的主要诱因之一,所以深入开展优先流的研究显得尤为重要.本文从优先流的界定出发,主要介绍回顾了优先流数学模型的发展和研究优先流所采用的技术手段和方法,最后总结并探讨了优先流研究中存在的问题和发展趋势.     

线源入渗测量方法计算模型的近似解析解研究

结合线源测量方法,在Lewis-Milne方程的基础上推导出了本文作者提出的土壤入渗性能线源入流计算模型的近似解析解。进行了线源入渗测量室内试验,利用数值算法及近似算法分别计算得到了土壤入渗过程。将计算结果与双环法进行了比较,同时利用水量平衡原理,通过比较入渗水量与实际总供水量得到不同计算模型的相对误差。其中数值解为7.21%~14.8%;解析解较低,为3.31%~12.4%。本研究可以直接得到土壤入渗性能及累计入渗量的时间方程,为降雨产汇流过程、灌溉系统设计与管理等相关研究提供了非常有效的工具。     

土壤水下渗解析解与数值解的比较研究

针对饱和—非饱和条件下土壤水的垂向下渗,分别用半经验计算公式和全物理基础的HYDRUS模型模拟了不同降雨情景下的土壤水渗漏量,对两种方法的计算结果进行了比较。结果表明,两种方法均能反映出土壤水渗漏率与降雨强度的相关性,降雨强度和降雨总量的增加引起土壤水渗漏总量的增加。在较小雨强条件下,公式计算土壤水渗漏总量稍大于HYDRUS模型计算,雨强较大时则相反。两种方法的计算结果在渗漏率峰值的出现时间和土层底部初始出流时间上存在差异。当土层厚度减小时,半经验解析式的计算精度有所提高,在使用该解析式时,建议对土壤层分层计算,可以提高计算精度。     

渗灌的非饱和土壤水二维流动的探讨

本文对渗灌条件下的非饱和土壤水二维流动问题进行了探讨。对水平二维流及垂直二维流均进行了重复实验,并建立了相应的非饱和土壤水二维流的数学模型。按有限差分的计算方法求到数学解且与实验结果相符合,验证了该数学模型的可行性。同时应用数学模型对田间渗灌在不同条件下(如不同初始含水量、不同的土质、不同的密实度及不同直径供水管等几个主要因素)的非饱和土壤水二维流进行了模拟计算。根据计算结果分别就上述各影响因素对田间渗灌的非饱和二维流动的差异性进行了分析,由此对田间渗灌中若干问题提出初步看法。     

确定侵蚀细沟集中水流剥离速率的解析方法

细沟中的泥沙主要来源于细沟流对土壤的剥蚀作用 ,细沟剥蚀作用的大小由剥蚀率来表述。剥蚀率是侵蚀过程预报模型的重要物理参数 ,本文创造性提出了一种确定侵蚀细沟集中水流剥离速率的解析方法。该方法用细沟侵蚀模拟试验所确定的沟长与水流载沙量的函数关系 ,以及相应的回归参数 ,通过将函数对距离求导数 ,得到了水流的剥离速率与细沟长度的函数关系。由此 ,进一步确定了剥离速率与水流载沙量的函数关系。将由解析法得到的剥离速率与由试验数据直接计算得到的结果进行了对比 ,得到不同坡度的确定系数下R2 值最小为 0 .65(坡度为 5) ,n=1 6 ,最好的拟合R2 值 0 .96(坡度为 2 0°) ,n =2 4 ,证明了该解析方法的可行性。     

改进型有限分析法模拟包气带土壤水分运移

近年来有限分析法被广泛应用于模拟土壤水分运移。混合型有限分析法通常使用一阶有限差分近似代替Richards方程中的时间导数项。然而，这种处理方式可能会引起数值弥散，尤其是在处理对流占优的传输问题。因此，该研究提出一种从时域和空间域获取局部解析解的改进型有限分析计算格式来克服上述问题。将改进的有限分析法的数值解、混合型有限分析的数值解、有限差分数值解与解析解定量化对比研究发现，改进型有限分析计算格式在较大空间步长条件下（空间步长为10 cm），能够获得精度最好的数值解，且能更好地控制质量平衡误差。此外，改进的有限分析法能获得与现有的软件（VSAFT2）相似的计算结果。该研究能为包气带水分运移模拟提供一种可靠的方法，推动区域土壤水资源的评价与管理。     

阿特拉津在饱和砂质壤土中非平衡运移的模拟

针对农药阿特拉津在稳定流场饱和砂质壤土中的运移 ,根据平衡与非平衡假设条件下对流—弥散方程数学模型的解析解 ,基于易混合置换实验获得的阿特拉津和示踪溶质Br- 的穿透曲线及批量平衡法求得的阻滞因子 ,应用CXTFIT 2 .0软件 ,通过拟合土柱实验中溶质的出流浓度变化 ,估算了模型的有关参数 ,在此基础上模拟分析了实验土柱不同埋深处阿特拉津的出流浓度和累积淋溶量动态 ,结果表明 ,化学非平衡的两点模型对本文实验条件下阿特拉津运移的仿真具有较高的精度     

阿特拉津在饱和砂质壤土中非平衡运移的模拟

针对农药阿特拉津在稳定流场饱和砂质壤土中的运移 ,根据平衡与非平衡假设条件下对流—弥散方程数学模型的解析解 ,基于易混合置换实验获得的阿特拉津和示踪溶质Br- 的穿透曲线及批量平衡法求得的阻滞因子 ,应用CXTFIT 2 0软件 ,通过拟合土柱实验中溶质的出流浓度变化 ,估算了模型的有关参数 ,在此基础上模拟分析了实验土柱不同埋深处阿特拉津的出流浓度和累积淋溶量动态 ,结果表明 ,化学非平衡的两点模型对本文实验条件下阿特拉津运移的仿真具有较高的精度     

根据土壤水分特征曲线推求土壤的导水参数

本文中描述了土壤水分特征曲线的一个相对简单的幂函数方程.当把这一方程代入Burdine或Mualem的预报土壤导水率的模式后,可以得到相对导水率的分析解.相对导水率的表达式中仅包含一个参数,该参数用实验资料拟合水分特征曲线模型而得到.并结合特征曲线方程,给出了土壤水分扩散率的表达式.从Burdine和Mualem模式获得分析解的结果,与具有较宽范围导水性质的四种土壤的导水参数实测资料进行了比较.非饱和土壤导水率的预报结果良好;土壤水分扩散率的预报结果对其中三种土壤良好.     

土壤斥水性影响土壤水分运动研究进展

土壤斥水性广泛存在于各类土壤,是影响植物生长、土壤水分运动以及土壤侵蚀等水土过程的重要因素。该文阐述了土壤斥水性的基本概念,介绍了几种常用的斥水性强度测定方法及适用范围。在此基础上,论文对土壤斥水性如何影响土壤水力性质以及水分运动特征等研究现状作了全面评述,重点讨论了近年来该领域的研究热点,如土壤斥水性影响下的指流观测和理论模拟以及斥水性土壤蒸发过程等。最后,提出了相关研究中亟待解决的若干关键科学问题,主要包括确定土壤斥水性影响指流现象和蒸发过程的物理机制的揭示;考虑土壤斥水性参数的土壤水分运动数学模型的构建;以及对新模型的求解及对数值解的理论分析。由于土壤斥水性对土壤水分运动有重要的关联效应,相关问题的深入研究对进一步认识土壤水分运动的内在物理机制具有重要理论意义,也将为掌握和有效利用土壤斥水性提供实践指导。     

一个冻土水盐热运动的数学模型

本文建立了一个冻土水盐热运动的数学模型。为了考虑土壤冻结和化冻时冰—液相变的影响,在传统土壤热传导方程中加入了溶化潜热运动项和存传统土壤水分运动方程中加入了相变项,从而推导出了三个相互关联的冻土水盐热运动方程,并提出了描述冻土未冻水含量随土壤冻结温度而变化的土壤冻结特征曲线及其实验测定方法。这个模型既可适应于冻土,也可适应于未冻土。     

非饱和土壤水一维流动的数值计算

非饱和土壤水的流动是指土壤中水分未充满全部孔隙时的水分移动而言的,是多孔介质中流体运动的一种重要形式。由于它在土壤科学、水文学、农田灌溉和排水、水资源评价等方面甚为重要,所以愈为人们所重视。     

SIMULATION OF THE WATER BALANCE OF SOIL COLUMNS AND FALLOW SOILS

A model is described that predicts the evaporation of water from, and the distribution of water in, a soil column evaporating into a constant environment. It is based on a numerical solution of the flow equation and requires only the initial water distribution in the column, the equilibrium (air-dry) water content at the soil surface and the relationship between volumetric water content and diffusivity. The model predictions show good agreement with a published analytical solution and with experimental results. Modifications to the model that allow for rewetting of the sod by rainfall, and changes in atmospheric conditions above the soil, enable predictions to be made of the water balance of a fallow field. In general, good agreement was obtained with the measured distribution of water deficits in the soil profile, although the predicted water content of the surface 2.5 cm of soil showed systematic differences from the measured values. The reasons for this are discussed.     

滤纸法测定非饱和土壤离子吸附等温线的初步研究

滤纸法对非饱和土壤溶液离子浓度的变化有较高的敏感性和较好的重现性 ,能够用于非饱和土壤离子吸附等温线的测定。滤纸法和乙醇浸提法、离心法有很好的一致性。滤纸法测定的非饱和土壤NH 4 、K 离子吸附等温线具有一般吸附等温线的共性 ,可用Freundlich方程描述 ,且达极显著相关水平。在土壤溶液浓度相同的情况下 ,液土比增大 ,离子固相吸附量增大 ,Freundlich方程的k值 ,n值增大 ,说明液土比增大有利于非饱和土壤离子吸附反应进行     

非饱和土壤一维水分入渗与再分布的解析解法

Soil infiltration and redistribution are important processes in field water cycle, and it is necessary to develop a simple model to describe the processes. In this study, an algebraic solution for one-dimensional water infiltration and redistribution without evaporation in unsaturated soil was developed based on Richards equation. The algebraic solution had three parameters, namely, the saturated water conductivity, the comprehensive shape coefflcient of the soil water content distribution, and the soil suction allocation coefficient. To analyze the physical features of these parameters, a relationship between the Green-Ampt model and the algebraic solution was established. The three parameters were estimated based on experimental observations, whereas the soil water content and the water infiltration duration were calculated using the algebraic solution. The calculated soil water content and infiltration duration were compared with the experimental observations, and the results indicated that the algebraic solution accurately described the unsaturated soil water flow processes.     

基于颗粒模型的风积砂层降雨入渗深度计算及验证

为了研究沙漠干旱区降雨对砂层非饱和带水分的贡献,该文对风积砂层水分入渗过程中的水分存在形式和运移机理进行了理论和力学分析。通过以触点水为主要储水单元的立方布局颗粒模型推导出水分入渗过程中湿润深度的解析表达式,并进行验证。物理和力学分析表明,砂颗粒表面很难形成较厚的薄膜水,砂层非饱和带水分大部分以触点水的形式存在。模型计算结果表明,水分入渗的湿润深度与入渗水量和触点水湿润角有关。模型验证表明,水分入渗湿润深度的解析表达式在风积砂层入渗深度计算中具有一定的适用性,但触点水湿润角与砂颗粒粒径的函数关系还有待进一步研究当设定触点水湿润角为π/4时,比例常数为11.5。该研究可为干旱区农业规划提供依据。     

A new equation for the soil water retention curve

The soil water retention curve is a fundamental characteristic of unsaturated zone flow and transport properties. Recent studies show that an air‐entry value is needed in a soil water retention equation in order to provide a better prediction of relative hydraulic conductivity. A new equation considering the air‐entry value is proposed to describe the soil water retention curve. The performance of the proposed equation is contrasted with a well‐supported equation by comparing measured and calculated data for 14 soils, representing various soil textures, which range from sandstone to clay. Results show that the proposed equation provides adequate characterization of the soil water retention curves. The equation for predicting relative hydraulic conductivity is derived from the proposed soil water retention equation. An empirical equation for relative hydraulic conductivity is also used. Our results show that the agreement between the predicted and measured relative hydraulic conductivities is improved by the combinations of the proposed equation and the relative hydraulic conductivity equations. The proposed equation is mathematically simple and it can easily be implemented in unsaturated flow and multiphase flow numerical models.